подготовка внутренних поверхностей труб теплоэнергетического

А.Н. Кукушкин, д.т.н. ФГУП ВНИИАМ, Москва, Россия;
Л.И. Волков, Energoressurss Grupp, Tallinn, Estonia; Э.
ПОДГОТОВКА ВНУТРЕННИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ ГИДРОФОБИЗАЦИИ ДЛЯ ИХ
РАБОТЫ В БЕЗНАКИПНОМ РЕЖИМЕ
Исходная вода, используемая в теплоэнергетике, по ряду причин имеет большой
набор агрессивных свойств, способствующих образованию накипи и отложений на
внутренних поверхностях нагрева оборудования (котлы, теплообменники, трубопроводы
тепловых систем и т.д.), способствующих развитию коррозионных процессов металла.
Скорость
карбонатного
накипеобразования
возрастает
в
зависимости
от
жесткости исходной воды, и времени работы теплообменного оборудования.
Образовавшаяся накипь и отложения в трубах котлов приводит к снижению их
тепловой производительности, повышению расхода теплоносителя (перерасход топлива
в зависимости от толщины слоя накипи: 1мм. – до 4%, 5мм.- до 15%), увеличению
температурного напора и, как следствие, повреждение труб. Отложения и накипь в
трубках кожухотрубных теплообменников (бойлерах), широко используемых в системах
теплоснабжения, приводит к увеличению расхода пара и как следствие, уменьшению КПД
на 30-50% за счет значительного снижения интенсивности теплопередачи.
Во всем мире актуальность этой проблемы весьма существенна и отображена в
Пятой и Шестой Рамочных Программах Евросоюза с выделением до 14% денежных
средств от общего бюджета, т.е. до 2 млрд. Евро в год.
Механизм образования накипи из-за жесткой воды заключается в кристаллизации в
основном растворенного в воде карбоната кальция в форме кальцита. Движущей силой
процесса
кристаллизации
является
пересыщение,
т.е.
превышение
фактической
концентрации кристаллизующегося вещества над его равновесной концентрацией в
данных условиях. Кристаллизация включает две стадии: образования кристаллических
зародышей и их роста до видимого
размера. Скорость кристаллизации в целом
лимитируется скоростью зародышеобразования.
Образование зародышей может быть спонтанным - гомогенная нуклеация, и
индуцированным
- гетерогенная
нуклеация.
При гетерогенной
нуклеации
ионы
собираются на инородных (гетерогенных) по отношению к кристаллизующему веществу
включениях,
например
поверхности
технологического
оборудования
или
трубопроводов, причем скорость зародышеобразования на этих поверхностях в 100010000 раз выше, чем в объеме жидкости.
Сцепление кристаллических зародышей с поверхностью металла обусловлено
наличием электростатических сил. Со временем слой отложений уплотняется и
упрочняется, обеспечивая вышесказанные негативные последствия.
Таким образом, задачей предотвращения (или значительного количественного
снижения) сцепления кристаллических зародышей с поверхностью металла является
подготовка поверхности металла, обеспечивающая отсутствие или значительное
снижение
возникновения
отрицательных
зарядов
вследствие
ионизации
поверхностных функциональных групп.
Граница
раздела
твердое
тело/жидкость
будет
обеспечивать
наличие
электростатического отталкивающего взаимодействия между поверхностью металла
и ионами Ca2+ и CO32+ в случае обеспечения ее гидрофобного состояния.
Вокруг частицы зарождающегося кристалла расположен слой молекул воды вместе
с незначительным количеством противоионов. За этим заряженным слоем со стороны
раствора располагается избыток противоионов. Это распределение заряда, называемое
двойным электрическим слоем, приводит к возникновению отталкивания между
частицами. Подобные двойные электрические слои возникают обычно на границе раздела
между твердым гидрофобным телом (поверхность металла) и водным раствором.
Все известные методы (более 40 методов) снижения и предотвращения
образования отложений на поверхностях нагрева, в основном, направлены на воздействие
различными способами на рабочие жидкости.
Предлагаемый нами физико-химический метод предотвращения или значительного
снижения скорости образования отложений заключается в гидрофобизации внутренних
поверхностей нагрева. Это обеспечивается реализацией разработанной во ВНИИАМ и
фирме
REICON
GmbH
технологии
с
использованием
микродобавок
поверхностно- активного амина (ПАА) в рабочую среду. В качестве ПАА используется
октадециламин высокой
степени очистки
–
ODACON,
в
котором
содержание
первичных аминов составляет не менее 99,5%, вторичных – менее 0,05%, амиды и
нитрилы – отсутствуют, йодное число, характеризующее присутствие нежелательных
примесей, - менее 1,0 гJ/100 г. Высокое качество синтетического реагента ODACON
подтверждено
результатами
сравнения
его
характеристик
с
аналитическим
октадециламином с помощью метода инфракрасной спектроскопии (рис. 1). ODACON
дозируется в циркуляционный контур теплоносителя при температуре 70-90оС в виде
водной эмульсии.
Вследствие адсорбции молекул ODACON на внутренних поверхностях
оборудования формируется молекулярная гидрофобная коррозионно защитная
пленка (рис.2). При этом заряд и потенциал поверхностей металла сначала
снижается
по
абсолютной
величине,
затем
происходит
перезарядка
поверхностей и рост положительного заряда.
При
адсорбции молекул
ODACON
на внутренних поверхностях
оборудования за счет расклинивающего давления происходит обрыв частиц
отложений, что обеспечивает их частичную отмывку.
В таблице 1 представлены экспериментальные результаты по водной
отмывке контрольных образцов из стали 20 по ODACON-технологии (t = 8590oC, W = 1,5 м/с, CODACON = 5 мг/дм3, τ = 70 часов).
Таблица 1. Результаты отмывки образцов из Стали 20 по ODACONтехнологии.
Количество
отложений,
г/м2
после
исходное
отмывк
и
47,4
21,7
Fe2O3
CuO
65,6/69,0
32,5/14,2
Состав отложений,
% (исходное/после
отмывки)
ZnO
SiO2 Al2O3
1,5/4,0
-/2,7
1,9/0,7
CaO
MgO
2,8/1,7
2,4/5,2
Рис. 1. Гидрофобные поверхности труб топочного экрана котла ТГМ-96Б и
Подогревателя низкого давления энергоблока 100 МВт.
Установлено также, что в исходном состоянии все составляющие
отложений распределялись практически равномерно
по
толщине слоя за
исключением хлоридов, которые концентрировались в основном у поверхности
металла. После проведения ODACON обработки все составляющие отложений и
в большей степени хлориды имеют тенденцию к перемещению к поверхности
отложений.
Гидрофобизация поверхностей теплообмена и их частичная отмывка от
ранее сформировавшихся отложений с последующим ограничением темпа их
роста обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и эффективности
теплоэнергетического оборудования.